CN114674486B - 一种快速真空分压力测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速真空分压力测量装置及方法。本发明利用可调谐窄线宽激光器配合电光调制方法产生光学频率梳，极大地降低了真空分压力测量系统的成本，同时采用声光移频装置将外差干涉信号的中心频率移至高频，使整个干涉光谱信号能够被完整复原，并采用光强监测支路记录拍频光强抖动信息，补偿光强抖动带来的强度误差，实现光谱吸收峰精准测量。本发明能够快速实现真空分压力的测量，且成本低、精度高、量程宽。

Description

一种快速真空分压力测量装置及方法
技术领域
本发明涉及真空测量技术领域，具体涉及一种快速真空分压力测量方法，是一种基于电光调制型窄带双光梳光谱技术的真空分压力测量装置及方法。
背景技术
真空分压力测量技术能够分析真空中气体成分并测量其组分压力，是众多研究和生产领域不可或缺的技术，为真空系统提供大量有效信息。近年来，随着我国高新尖端技术的迅猛发展，分压力测量技术在航空航天、高能核物理、半导体工业和纳米材料技术等领域具有迫切的需要。
质谱法是使用最广泛最悠久的真空分压力测量方法，但是经过校准后的四极质谱计的精度较低，测量不确定约为10％。而且还存在接触式测量、校准困难和无法直接测量粗低真空(10-2～105Pa)的问题。鉴于传统质谱法测量分压力面临的困境，德国联邦物理技术研究院(PTB)在2005年提出了采用调谐二极管激光吸收谱法(TDLAS)测量真空分压力的技术。激光吸收谱法是非常有潜力的真空分压力测量方法，测量精度高，溯源性好。但是，调谐二极管吸收谱法也有着非常明显的缺陷：①不具备多气体探测能力；②速度慢，无法适应动态测量；③光谱分辨率低。致使激光吸收谱的潜力无法完全发挥、不能快速地同时测量多种气体分压力的根本原因在于，TDLAS的光谱信息获取方式十分繁琐缓慢。超高分辨率光谱数据快速获取一直是光谱分析技术领域的难题，传统的滤波式、扫描式、色散式以及傅里叶变换式光谱仪都无法满足要求。近年来，随着超快光学的迅猛发展，基于光学频率梳技术的双光梳外差干涉法(DCS)逐渐被应用于气体光谱监测和浓度测量，为真空分压力测量提供了又一强力工具。双光梳具有光谱波段宽、光谱分辨率高和测量速度极快的优势，但是也具有成本极其高昂、系统维护和小型化困难的不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种快速真空分压力测量装置及方法，能够快速实现真空分压力的测量，且成本低、精度高、量程宽。
本发明的快速真空分压力测量装置，包括：窄线宽激光光源、调制信号产生模块、电光调制模块、样品腔、光电探测模块、声光移频模块、光强监测模块和压力反演模块；
其中，所述样品腔为真空腔，用于通入待检测气体；
所述窄线宽激光光源发射波长可调谐窄线宽激光，并由分束器分为两束激光；
所述调制信号产生模块用于产生两个带宽满足调制要求、频率相差kHz量级的脉冲调制信号；
所述电光调制模块在同一铷钟源下将调制信号产生模块产生的两个脉冲调制信号分别加载到所述两束激光上，获得重复频率相差kHz量级的自由运行窄带双光学频率梳；
所述双光学频率梳被分为A、B两路，A路由光强监测模块接收，用于监测光强抖动；B路用于样品腔的光谱测量；
所述声光移频模块用于对B路双光学频率梳进行移频操作，将其拍频信号的中心频率移至高频位置，移频后，将一个光路接入样品腔中，经过多次反射后由光电探测模块接收，另一光路直接接入光电探测模块；其中，所述高频为大于拍频信号带宽的一半；
所述光电探测模块对接收的两路光进行耦合拍频干涉，得到外差干涉信号；
压力反演模块根据光强监测模块检测的光强对外差干涉信号进行修正，比较样品腔通入待检测气体前、后的光谱数据，获得待测样品的光谱吸收曲线，进而反演得到气体分压力。
较优的，所述窄线宽激光光源由L波段波长可调谐窄带激光器和放大器组成。
较优的，所述可调谐激光器的波长调谐范围是1570～1610nm，波长精度为0.001nm，线宽小于10kHz。
较优的，所述调制信号产生模块由信号发生器和脉冲信号发生器组成，所述信号发生器用于产生带宽为10GHz，频率分别为200MHz和200.1MHz的脉冲信号；所述脉冲发生器将脉冲信号的带宽展宽至60GHz。
较优的，所述样品增强腔采用腔增强技术，扩展光路与待检测气体的作用距离。
较优的，双光学频率梳按照10:90的比例分为A、B两路；其中A路为弱光，B路为强光。
较优的，所述样品腔的真空度比待测气体压力低2～3个数量级。
本发明还提供了上述测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤1，将窄线宽激光光源的中心波长设置在待测气体的特征吸收峰处，并对样品腔抽真空；
步骤2，记录样品腔的背景光谱和A路光源光谱强度分布；
步骤3，将待测样品气体导入样品腔内，记录样品腔内气体吸收光谱和A路光源强度分布；
步骤4，将样品吸收后光谱与背景光谱相比，并利用光源强度分布曲线进行修正，得到样品吸收峰数据；对吸收峰数据进行线型拟合后计算得到目标气体分压力值。
较优的，所述步骤4中，采用Gauss、Voigt或Lorentz进行线型拟合。
有益效果：
(1)本发明利用可调谐窄线宽激光器配合电光调制方法产生光学频率梳，极大地降低了真空分压力测量系统的成本；
(2)本发明采用同一个激光器作为两个电光调制光频梳的种子光源，使两个光梳的脉冲光具有相同的中心频率，能够消除激光器相位抖动对拍频信号的影响；
(3)本发明采用脉冲发生器将10GHz信号源展宽为60GHz驱动信号，接入电光调制器中产生带宽60GHz的激光脉冲，提升光源光谱宽度。
(4)本发明采用声光移频装置将外差干涉信号的中心频率移至100MHz位置，使整个干涉光谱信号能够被完整复原。
(5)本发明采用光强监测支路记录拍频光强抖动信息，用于补偿光强抖动带来的强度误差，实现光谱吸收峰精准测量。
附图说明
图1为电光调制真空分压力测量方法原理框图。
图2为基于光频梳的真空分压力测量系统示意图。图中：Coupler1、Coupler2和Coupler3是1×2光纤耦合器，Coupler4和Coupler5是2×2光纤耦合器，SG1和SG2是信号发生器，PG1和PG2是脉冲发生器，EOM1和EOM2是电光调制器，AOM是声光移频器，BD1和BD2是平衡光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种快速真空分压力测量装置及方法，将电光调光梳极高光谱分辨率的优势与激光吸收谱相结合，为激光吸收谱法测量气体分压力提供有效的超高光谱分辨率光源，再辅以双光梳光谱技术这一快速光谱信息获取手段，克服TDLAS的诸多缺陷，实现低成本、非侵入、高速度、高精度、宽量程的真空分压力测量。
本发明真空分压力测量装置主要由窄线宽激光光源、调制信号产生模块、电光调制模块、样品腔、光电探测模块、声光移频模块、光强监测模块和压力反演模块组成，系统框图如图1所示。
其中，窄线宽激光光源采用波长可调谐窄线宽激光器，能够扩展系统的波段覆盖范围，增加可测量气体的种类。激光器发射的窄频激光经过分束器分为两束激光；
调制信号产生模块产生两个带宽满足调制要求、频率相差kHz量级的脉冲调制信号；
所述电光调制模块在同一个铷钟源下将调制信号产生模块产生两个脉冲调制信号分别加载在所述两束激光上，形成重复频率相差kHz量级的两个自由运行窄带光学频率梳。由于使用同一窄频激光源，且电光调制模块在同一铷钟源下进行调制，两个光频梳中心波长相同，重复频率同步，因此能够形成稳定的拍频干涉信号，可以用于测量目标气体的特征吸收峰。
电光调制模块产生的双光梳系统被分为A、B两个支路，A支路由光强监测模块接收，用于光频梳光强监测；B支路通往样品腔和光电探测模块，用于样品气体吸收谱测量。
声光移频模块对B路双光学频率梳进行移频操作，将其拍频信号的中心频率移至高频位置，移频后，将一个光路接入样品腔中，经过多次反射后由光电探测模块接收，将另一光路直接接入光电探测模块；其中，所述高频为大于拍频信号带宽的一半。
所述光电探测模块对接收的两路光进行耦合拍频干涉，得到外差干涉信号。
测量过程主要分为背景光谱测量(无样品气体)和样品光谱测量两部分。待测样品的特征吸收曲线通过样品光谱与背景光谱相比较获得。光强监测支路用于修正背景与样品测量时的光强波动。
压力反演模块即根据光强监测模块检测的光强对外差干涉信号进行修正，比较样品腔通入待检测气体前、后的光谱数据，获得待测样品的光谱吸收曲线，进而反演得到气体分压力。
样品腔用于通入待检测气体，并采用腔增强技术，扩展探测光与样品的作用距离，提升系统的气体分压力测量下限。
具体实例：
真空分压力测量系统的结构简图如图2所示。系统光源由L波段波长可调谐窄带激光器和放大器组成，可调谐激光器的波长调谐范围是1570～1610nm，波长精度为0.001nm，线宽小于10kHz。激光器的输出光强约为10mW，经过L波段光纤放大器放大至100mW。由光纤分束器Coupler1分成两束后，分别接入两个电光调制器EOM1和EOM2进行电光调制形成脉冲光。电光调制器的调制信号由信号发生器SG和脉冲信号发生器PG提供。信号发生器PG1和PG2分别产生200MHz和200.1MHz脉冲信号，带宽均为10GHz。由于带宽较窄，不能满足调制带宽的要求，因此由脉冲发生器PG将调制信号的带宽展宽至60GHz。两路调制信号分别被加载于电光调制器EOM1和EOM2上，对连续激光进行高频调制生成两路重复频率分别为200MHz和200.1MHz的脉冲激光源，两路脉冲激光功率分别为40μW和120μW。由调制器EOM1出射的光束经过100MHz的声光调制器进行移频，使得最终的拍频信号的中心频率被移至100MHz，从而得到完整的拍频光谱。此外，两个电光调制器EOM1和EOM2使用同一铷钟信号进行同步，使两路光梳信号能够产生稳定的外差干涉信号。两路光梳信号分别被10:90束器Coupler2和Coupler3分为两个支路，两个弱光支路被2×2光耦合器Coupler4耦合后接入平衡探测器BD1，用于监测光源光强抖动。两个强光支路组成气体激光吸收谱探测支路，一个强光光路通过光纤接入样品增强腔中，经过多次反射后形成总长10m的吸收光程，再由聚焦透镜Lens将出射光耦合至光纤准直器中，最后与另一强光支路被2×2光耦合器Coupler5耦合接入平衡探测器BD2中进行拍频干涉，探测器输出外差干涉信号。待测样品气体的光谱吸收曲线通过样品光谱数据与背景光谱数据相比较得到，同时必须引入光强监测支路的修正因子，最终获得待测样品的光谱吸收曲线用于分压力反演。
本发明采用两个电光调制型窄带光学频率梳作为气体探针，结合腔增强技术，有效增加光谱分辨率和探测灵敏度，整个测量过程耗时微秒量级，实现了真空分压力的非接触、高精度和快速测量。本发明具有光谱分辨率高和测量灵敏度大的特点，配合波长可调谐窄线宽激光器能够同时覆盖和分辨多种气体的特征吸收峰，因此具备多气体同步测量能力；双光梳外差干涉技术能够在微秒的时间内获取气体光谱吸收数据，因此具有动态检测能力。
基于上述测量装置的真空压力测量方法包括以下步骤：首先，将激光源的中心波长设置在待测气体的特征吸收峰处，并将样品增强腔抽至高真空(比待测气体压力低2～3个数量级)，同时记录样品腔背景光谱和光源光谱强度分布；其次，将待测样品气体导入增强腔内，并同时记录样品腔内气体吸收光谱和光源强度分布；最后，进行数据处理和分压力反演。将样品吸收后光谱与背景光谱相比，并利用光源强度分布曲线进行修正后得到样品吸收峰数据，对吸收峰数据进行Gauss、Voigt或Lorentz线型拟合后计算目标气体分压力值。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速真空分压力测量装置，其特征在于，包括：窄线宽激光光源、调制信号产生模块、电光调制模块、样品腔、光电探测模块、声光移频模块、光强监测模块和压力反演模块；
其中，所述样品腔为真空腔，用于通入待检测气体；
所述窄线宽激光光源发射波长可调谐窄线宽激光，并由分束器分为两束激光；
所述调制信号产生模块用于产生两个带宽满足调制要求、频率相差kHz量级的脉冲调制信号；
所述电光调制模块在同一铷钟源下将调制信号产生模块产生的两个脉冲调制信号分别加载到所述两束激光上，获得重复频率相差kHz量级的自由运行窄带双光学频率梳；
所述双光学频率梳被分为A、B两路，A路由光强监测模块接收，用于监测光强抖动；B路用于样品腔的光谱测量；
所述声光移频模块用于对B路双光学频率梳进行移频操作，将其拍频信号的中心频率移至高频位置，移频后，将一个光路接入样品腔中，经过多次反射后由光电探测模块接收，另一光路直接接入光电探测模块；其中，所述高频为大于拍频信号带宽的一半；
所述光电探测模块对接收的两路光进行耦合拍频干涉，得到外差干涉信号；
压力反演模块根据光强监测模块检测的光强对外差干涉信号进行修正，比较样品腔通入待检测气体前、后的光谱数据，获得待测样品的光谱吸收曲线，进而反演得到气体分压力。
2.如权利要求1所述的快速真空分压力测量装置，其特征在于，所述窄线宽激光光源由L波段波长可调谐窄带激光器和放大器组成。
3.如权利要求2所述的快速真空分压力测量装置，其特征在于，所述可调谐窄带激光器的波长调谐范围是1570～1610nm，波长精度为0.001nm，线宽小于10kHz。
4.如权利要求1所述的快速真空分压力测量装置，其特征在于，所述调制信号产生模块由信号发生器和脉冲信号发生器组成，所述信号信号发生器用于产生带宽为10GHz，频率分别为200MHz和200.1MHz的脉冲信号；所述脉冲发生器将脉冲信号的带宽展宽至60GHz。
5.如权利要求1所述的快速真空分压力测量装置，其特征在于，所述样品增强腔采用腔增强技术，扩展光路与待检测气体的作用距离。
6.如权利要求1所述的快速真空分压力测量装置，其特征在于，双光学频率梳按照10:90的比例分为A、B两路；其中A路为弱光，B路为强光。
7.如权利要求1所述的快速真空分压力测量装置，其特征在于，所述样品腔的真空度比待测气体压力低2～3个数量级。
8.如权利要求1～7任意一项所述的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将窄线宽激光光源的中心波长设置在待测气体的特征吸收峰处，并对样品腔抽真空；
步骤2，记录样品腔的背景光谱和A路光源光谱强度分布；
步骤3，将待测样品气体导入样品腔内，记录样品腔内气体吸收光谱和A路光源强度分布；
步骤4，将样品吸收后光谱与背景光谱相比，并利用光源强度分布曲线进行修正，得到样品吸收峰数据；对吸收峰数据进行线型拟合后计算得到目标气体分压力值。
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤4中，采用Gauss、Voigt或Lorentz进行线型拟合。
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